• No results found

Characterization of some early defence responses of leaf rust-infected wheat

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Characterization of some early defence responses of leaf rust-infected wheat"

Copied!
174
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

C

HARACTERIZATION OF 

S

OME 

E

ARLY 

D

EFENCE 

R

ESPONSES OF 

L

EAF 

R

UST

‐I

NFECTED 

W

HEAT

 

 

by 

 

J

OHANNES 

J

ACOBUS 

A

PPELGRYN

 

Submitted in fulfilment of the requirements for the degree 

P

HILOSOPHIAE 

D

OCTOR

 

in the Faculty of Natural and Agricultural Sciences 

Department of Plant Sciences 

University of the Free State 

Bloemfontein 

South Africa 

 

2007

 

Promoter: 

Dr B Visser 

 

Co‐Promoter: 

Prof ZA Pretorius 

(2)

             

I  prefer  the  errors  of  enthusiasm  to  the  indifference  of  wisdom  –  Anatole 

France 

 

To  succeed…..  you  need  to  find  something  to  hold  on  to,  something  to 

motivate you, something to inspire you – Tony Dorsett 

(3)

I am greatly indebted by the following people: 

• My wife, Anneke, for all your support and understanding without which this would  not have been possible.  

• Dr Botma Visser, promoter, thank you for your guidance and support throughout this  study. 

• Prof  Sakkie  Pretorius, co‐promotor,  thank  you  for  your  input  to  make  this  study  a  success.    Thank  you  also  for  making  the  glasshouse  space,  seeds  and  rust  spores  available.  • Cornel Bender, for your technical help with the microscopy and help and guidance  with the rust inoculations.  • My parents and parents‐in‐law, thank you for your support as well.  • My friends and colleagues in the lab and the Dept of Plant Sciences, thank you for  your help and friendship.  I am greatly indebted to the following institutions:  • The Department of Plant Sciences and the University of the Free State, for providing  the facilities and resources necessary to complete this study  • The NRF for financial support.   

(4)

 

TABLES AND FIGURES  IX 

CHAPTER 1: INTRODUCTION  1 

CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW  5 

2.1 INTRODUCTION  6 

2.2  PLANT‐PATHOGEN INTERACTION  6 

2.2.1  Wheat Leaf Rust  7  2.3  PATHOGEN RECOGNITION  8  2.4  DEFENSE RESPONSES  9  2.4.1  Systemic Resistance  9  2.4.2  Programmed Cell Death  10  2.4.3  H2O2  11  2.4.4  Salicylic Acid  12  2.4.5  Jasmonic Acid  12  2.4.6  Ethylene  13 

2.5  CHANGES IN GENE ACTIVITY  14 

2.5.1  Molecular Chaperones  14  2.5.2  Transcription factors  17  2.5.3  R‐genes  18  2.6  INTERPLANT COMMUNICATION  20  2.7  CONCLUDING REMARKS  23  CHAPTER 3: CLONING OF DIFFERENTIALLY EXPRESSED CDNA FRAGMENTS FROM WHEAT  25  3.1  INTRODUCTION  26  3.2  MATERIALS AND METHODS  27  3.2.1  Plant Material  27  3.2.2  Leaf Rust Inoculation  27  3.2.3  Differential Display Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction (DDRT‐PCR)  28  3.2.4  Reverse Northern Blot Analysis  31  3.2.5  Sequencing of Cloned cDNA Fragments  31  3.3  RESULTS  31  3.3.1  Leaf Rust Infection  31  3.3.2  Identification of Differentially Expressed Genes  31  3.4  DISCUSSION  39  3.5 REFERENCES  43   

(5)

4.2.1   Biological Material  49  4.2.2  Rust Inoculation Of Wheat  50  4.2.3  Differential Display of Leaf Rust Infected Wheat RNA  50  4.2.4   Sequencing and DNA Analysis  51  4.2.5   Southern and Northern Blot Analysis  51  4.2.6   Expression Analysis Using RT‐PCR  52  4.2.7   Western Blot Analysis  52  4.2.8   Chemical Treatments of Wheat  53  4.3   RESULTS  53  4.3.1   Identification of TaHlp01  53  4.3.2   Genomic Presence of TaHlp01  60  4.3.3   Expression Analysis of TaHlp01  60  4.3.4   Chemical Induction of TaHlp01 Expression  66  4.4   DISCUSSION  69  4.5   REFERENCES  76  CHAPTER 5: EVIDENCE FOR VOLATILE DEFENCE  82  5.1  INTRODUCTION  83  5.2  MATERIALS AND METHODS  84  5.2.1  Biological Material  84  5.2.2  Leaf Rust Inoculation Of Wheat  84  5.2.3  An Investigation Into Possible Plant Communication  85  5.2.4  Western Blot Analysis  85  5.2.5  ‐1,3‐glucanase Activity Determination  86  5.2.6  RT‐PCR Analysis  86  5.2.7  Fluorescence Microscopy  87  5.3  RESULTS  87  5.3.1  Thatcher Infection‐Related Communication  88  5.3.2  Thatcher+Lr34 Infection‐Related Communication  93  5.3.3  Phenotypic Analysis Of The Defense Response Of US And UR Plants  98  5.4  DISCUSSION  100  5.5  REFERENCES  107  CHAPTER 6: GENERAL DISCUSSION  113  REFERENCES  121 

(6)

 

OPSOMMING  158 

 

(7)

Abbreviations 

 

(8)

    APX  Ascorbate peroxidases    AVG  Aminoethoxyvinylglycine    AVR  Avirulence    BTH  Benzo (1,2,3) thiadiazole‐7‐carbothioic acid S‐methyl ester    bZIP  Basic‐domain leucine zipper    CAT  Catalase    CC  Coiled‐coil    CWA  Cell wall appositions    CR  Control resistant    CS  Control susceptible    DDRT‐PCR  Differential display reverse transcription polymerase chain reaction    dCTP  Deoxycytosine triphosphate    DIBOA  2,4‐dihydroxy‐2H‐1,4‐benzoxazin‐3(4H)‐one    DIMBOA  2,4‐dihydroxy‐7‐methoxy‐2H‐1,4‐benzoxazin‐3(4H)‐one    dNTP’s  Deoxynucleotide triphosphates     DTT  Dithiothreitol    ERF  Ethylene‐responsive‐element‐binding factors    GLV  Green leaf volatiles     

(9)

  HR  Hypersensitive response    HSF  Heat‐shock factors    Hsp  Heat‐shock proteins      IR  Infected resistant    IS  Infected susceptible    ISR  Induced systemic resistance    JA  Jasmonic acid    LAR  Localized acquired resistance    LIR  Later infected resistant    LIS   Later infected susceptible     LOX  Lipoxygenase    Lr  Leaf rust resistance    LRR  Leucine‐rich repeats    MeJA  Methyl jasmonate    MeSA  Methyl salicylate    NBS  Nucleotide binding site    NO  Nitric oxide    NPR1  Non‐expressor of PR1 

(10)

    PAL  Phenylalanine ammonia‐lyase    PBD  Peptide‐binding domain    PCD  Programmed cell death    PR  Pathogenesis related     PAHBAH  p‐Hydroxybenzoic acid hydrazide    R  Resistance genes    RLK  Receptor‐like protein kinases    RNI  Reactive nitrogen intermediates    ROI  Reactive oxygen intermediates    ROS  Reactive oxygen species    RT  Reverse transcription    SA  Salicylic acid    SAR  Systemic acquired resistance    sHsp  Small Heat‐shock proteins    SOD  Superoxide dismutase    TaHlp01  Triticum aestivum Heat shock‐like protein 1    TIR  Toll/Interleukin‐1 receptor    TMV  Tobacco mosaic virus    Tween™ 20  Polyoxyethylene sorbitan monolaurate    UR    Uninfected resistant     US    Uninfected susceptible 

(11)
(12)

 

Tables and Figures 

 

(13)

Table 3.1:  Names and sequences of the primers used during Differential Display  29 Figure 3.1:  The amplification strategy used for the DDRT‐PCR.   30 Figure 3.2:  Flag  leaves  of  adult  Thatcher  and  Thatcher+LR34  plants  one  week  after 

infection with P. triticina 

32

Figure 3.3:  Reverse Northern blot analysis of  cloned cDNA fragments 34

Figure 3.4:  Sequence analysis of clone M8 35

Figure 3.5:  Sequence analysis of clone M9 36

Figure 3.6:  Sequence analysis of clone M27 37

Figure 3.7:  Sequence analysis of clone D5 39

Figure 4.1:  RT‐PCR amplification of TaHlp01 and TaHsp70h 52

Figure 4.2:  Sequence analysis of TaHlp01 54

Figure 4.3:  Amino acid sequence alignment of Contig 18805 and TaHsp70h  55

Figure 4.4:  Sequence analysis of TaHsp70h 56

Figure 4.5:  Amino acid sequence alignment of TaHlp01 and TaHsp70h 58 Figure 4.6:   Southern  blot  analysis  of Thatcher  and  Thatcher+Lr34 genomic  DNA 

probed with TaHlp01 

59

Figure 4.7:  Southern  blot  analysis  of  different  leaf  rust  resistant  wheat  cultivars  probed with TaHlp01 

60

Figure 4.8:  Expression  analysis  of  TaHlp01 and  TaHsp70h in  P.  triticina  infected  Thatcher and Thatcher+Lr34 wheat 

61

Figure 4.9:  Immunological detection of expressed polypeptides 63 Figure 4.10:  Expression analysis of TaHlp01 in P. striiformis infected Avoset wheat  64 Figure 4.11:  Expression  analysis  of  TaHlp01 during  the  treatment  of  Thatcher+Lr34

with different chemicals 

(14)

 

   

Figure 5.1:  Selected  defence  related  marker  gene  expression  during  the  interaction  between  infected  Thatcher  (IS)  and  uninfected  Thatcher  (US)  and  Thatcher+Lr34 (UR)    

87

Figure 5.2:  β‐1,3‐glucanase activity for infected Thatcher (IS) and its interaction with  Thatcher (US) and Thatcher+Lr34 (UR) 

88

Figure 5.3:  Expression  of  marker  genes  involved  in  different  volatile  signalling pathways  during  the  interaction  between  infected  Thatcher  (IS)  and  uninfected Thatcher (US) and uninfected Thatcher+Lr34 (UR)

89

Figure 5.4:  Selected  defence  related  marker  gene  expression  during  the  interaction  between  infected  Thatcher+Lr34  (IR)  and  uninfected  Thatcher  (US)  and  Thatcher+Lr34 (UR)    

92

Figure 5.5:  β‐1,3‐glucanase activity for infected Thatcher+Lr34 (IR) and its interaction  with uninfected Thatcher (US) and Thatcher+Lr34 (UR) 

93

Figure 5.6:  Expression  of  indicator  genes  involved  in  different  volatile  signalling pathways  during  the  interaction  between  infected  Thatcher  (IS)  and  uninfected Thatcher (US) and uninfected Thatcher+Lr34 (UR)

94

Figure 5.7:  The  effect  of  volatile  emissions  on  the  defence response  of  US  and  UR  wheat 

96

Figure 5.8:  Visible  effect  of  volatile  emissions  on  the  defence responses  of  infected  wheat  98                

(15)
(16)

 

Plants are exploited as a source of food and shelter by a wide range of organisms, including  viruses,  bacteria,  fungi,  nematodes,  insects  and  even  other  plants  (Odjakova  and  Hadjiivanova, 2001).  The identification of potential pathogenic microbes by the plant leads  to  the  activation  of  different  defence  responses  which  are  designed  to  prevent  further  infection (Thatcher et al., 2005). Disease resistance in plants is usually associated with the  activation of a wide variety of defence responses that serve to prevent pathogen replication  and/or movement. 

In some plant‐pathogen interactions, the ability of the host plant to recognize the pathogen  and activate these responses is regulated in a gene‐for‐gene‐specific manner by the direct  or  indirect  interaction  between  the  products  of  a  plant  disease  resistance  (R)  gene  and  a  pathogenic  avirulence  (Avr)  gene  (Flor,  1971;  Marois  et  al.,  2002;  Axtell  and  Staskawicz,  2003;  Di  Gaspero  and  Cipriani,  2003). When  either  the  plant  or  the  pathogen  lacks  its  cognate gene, activation of the plant’s defence responses either fails to occur or is delayed  sufficiently so that pathogen colonization ensues (Flor, 1956; Dangl and McDowell, 2006). In  contrast to this race/cultivar‐specific form of resistance which is relatively rare, many plant  species exhibit non‐host resistance. Non‐host resistance is characterized by the activation of  many of the same defence responses as are associated with race/cultivar‐specific resistance.   However,  it  occurs  in  the  absence  of  any  known  R/Avr gene  combination (Heath  2001; 

Thordal‐Christensen, 2003; Dodds et al., 2006). 

Resistance in plants is manifested by the inability of the pathogen to grow or multiply and  spread  and  often  takes  the  form  of  a  hypersensitive  response  (HR)  (Vranová,  2002).    The  hypersensitive response is characterized by localized cell death at the site of infection (Van  Loon, 1997).  As a result, the pathogen remains confined to necrotic lesions near the site of  infection.  A ring of cells surrounding the necrotic lesion becomes refractory to subsequent  infection.  This is known as localized acquired resistance (LAR) (Fritig et al., 1998; Ghannam  et  al.,  2005).    These  local  responses  trigger  specific  and  nonspecific  resistance  throughout  the  plant  which  is  known  as  systemic  acquired  resistance  (SAR)  and  provides  durable  protection against infection by a broad range of pathogens (Scheel, 1998; Durrant and Dong,  2004).    

(17)

a non‐host specific elicitor is the oxidative burst, in which levels of reactive oxygen species  (ROS)  rapidly  increase  (Mittler  et  al.,  2004;  Neill  et  al.,  2002a).    Other  rapid  responses  include the crosslinking of cell wall proteins (McLusky et al., 1999), the activation of protein  kinases  (Romeis,  2001)  and  the  increased  expression  of  various  defence  genes.    Some  of  these  genes  encode  peroxidases,  glutathione  S‐transferases,  proteinase  inhibitors  and  various biosynthetic enzymes such as phenylalanine ammonia lyase (PAL) and pathogenesis‐ related (PR) proteins (Kessmann et al., 1994; Klessig et al., 2000; Flors and Nonell, 2006).   Activation  of  signal  transduction  networks  after  pathogen  recognition  results  in  the  reprogramming  of  cellular  metabolism,  involving  large  changes  in  gene  transcriptional  activity  while  basic  incompatibility  frequently  results  in  the  expression  of  defence  related  genes and localized host cell death (Yamamoto et al., 2004). 

Plants contain many defence related proteins.  In addition to R‐genes and genes encoding  signal  transduction  proteins,  they  also  possess  downstream  defence  genes  (Van  Loon,  1997),  enzymes  involved  in  the  generation  of  phytoalexins  (Flors  and  Nonell,  2006),  enzymes  involved  in  oxidative  stress  protection  (May  et  al.,  1998),    lignification  (Cano‐ Delgado  et  al.,  2003)  and  numerous  others.    Many  of  these  genes  are  involved  in  the  production of secondary metabolites such as those of the shikimate (Herrmann and Weaver,  1999) and phenylpropanoid pathways (Dixon et al., 2002). 

To establish a compatible interaction, biotrophic pathogens have to camouflage themselves  against recognition, suppress  the activation of  plant defences or  counter‐defend activated  defences by the detoxification of potentially harmful compounds.  Additionally, they have to  redirect the host’s metabolic flow to their own benefit without killing the host (Panstruga,  2003; Glazebrook, 2005).  Rust diseases of wheat are amongst the oldest plant diseases known to man. Early literature  on wheat cultivation mentions these devastating diseases and their ability to destroy entire  wheat crops. Numerous studies have been conducted on the life cycle of rust pathogens and  their management (Marsalis and Goldberg, 2006).  Leaf rust on wheat (Triticum aestivum L.) 

(18)

stem  and  yellow  rust  (Kolmer,  1996).    Genetic  resistance  against  rusts  is  the  most  economical  and  preferable  method  of  reducing  yield  losses  due  to  leaf  rust  infection  and  can be fully utilized by knowing the identity of resistance genes in commonly used parental  germplasm and released cultivars.  

During SAR or induced systemic resistance (ISR), distal parts of a plant receive a signal from  an infected part (Scheel, 1998).  This signal allows the distal part of the plant to activate its  own  defence  mechanisms  as  a  preventative  strategy.    In  a  similar  way,  two  neighbouring  plants could communicate so that the uninfected plant could activate its defences based on  an  airborne  signal  coming  from  an  infected  neighbour  (Huang  et  al.,  2005;  Gómez  and  Stuefer, 2006). 

Originally proposed as pheromonal sensitivity in red alders and willows (Rhoades, 1983) and  further corroborated in a study using poplars and maples (Baldwin and Schultz, 1983), the  idea  that  plants  might  warn  each  other  about  an  imminent  attack  was  quite  exciting  because  of the clear advantage  that forewarning would  mean  for plants. It  would  remove  the  window  of  vulnerability  that  plants  would  otherwise  suffer  due  to  the  lag  during  an  induced response.  

An important point to consider is whether communication between plants must be seen as  mutualistic. Perhaps neighbouring plants are merely opportunistically responding to volatile  signals  released  by  the  wounded  plants  as  indicators  of  imminent  herbivore  attack.   However, the interplant signalling can be interpreted as a natural outcome of sensitivity to  itself.   

Based on this, the aim of  this study was to investigate some of the early events occurring  after the infection of wheat with leaf rust on molecular level.  An attempt was first made to  clone  and  identify  putative  genes  involved  in  these  early  events  in  order  to  elucidate  the  early  signalling  events  in  this  particular  interaction.    Secondly,  a  possible  inter‐plant  communication event between infected and uninfected plants was investigated.    

   

(19)

   

(20)

 

2.1

 

I

NTRODUCTION

 

Plants  are  major  targets  for  pathogenic  microbes  looking  for  a  source  of  nutrition.    A  complex array of interactions between plants and microbes has thus evolved to reflect both  the  nutrient  acquisition  strategies  of  the  microbes  as  well  as  the  defence  strategies  of  plants. 

Penetration of fungi through the plant cell wall represents an Achilles heel for the plant.  For  biotrophic fungi, it initiates a transition from extra‐cellular to invasive growth.  Modification  of the plant cell wall was recognized as a potential resistance mechanism against infection  (Young,  1926;  Franceschi  et  al.,  2005).    The  termination  of  fungal  pathogenesis  at  the  cell  wall is commonly associated with cell wall thickenings and the formation of callosites in the  paramural  space  (Matern  et  al.,  1995;  McLusky  et  al.,  1999;  Snyder  and  Nicholson,  1990).   The  formation  of  these  cell  wall  appositions  (CWA)  is  usually  accompanied  by  the  co‐ localized  accumulation  of  phenolics  and  ROS  (Bestwick  et  al.,  1998;  Nicholson  and  Hammerschmidt,  1992;  Thordal‐Christensen  et  al.,  1997)  aiming  to  deter  invasion  by  the  pathogen. 

Specific host‐pathogen interaction models describing induced defence responses in plants,  have  been  influenced  by  the  gene‐for‐gene  concept  reported  by  Flor  (1956).    In  these  specific host‐pathogen interactions, resistance to a particular pathogen is conditional to the  presence of a specific Avr‐gene in the pathogen and a specific R‐gene in the plant host. 

2.2 P

LANT

‐P

ATHOGEN 

I

NTERACTION

 

The  biotrophic  lifestyle  of  fungi  is  described  as  deriving  energy  from  living  plant  cells  (Mendgen  and  Hahn,  2002).    Most  parasitic  biotrophs  like  mildews,  rusts  and  smuts  withdraw nutrients from shoot tissue and have no alternative energy source (Schulze‐Lefert  and Panstruga, 2003).  A characteristic feature of many but not all biotrophic fungi is their  ability  to  form  a  specialized  infection  structure,  the  haustorium.    Formation  of  these  intracellular fungal structures requires successful penetration of the host cell wall.  This is a  complex  process  that  exposes  the  intruding  fungus  to  cell  wall‐associated  defence 

(21)

the  haustorial  membrane,  an  extra‐haustorial  matrix  and  the  host  plasma  membrane  following the contours of the haustorial membrane (Schulze‐Lefert and Panstruga, 2003).  To establish a compatible interaction, biotrophic pathogens have to camouflage themselves  against recognition, suppress  the activation of  plant defences or  counter‐defend activated  defences by the detoxification of potentially harmful compounds.  Additionally, they have to  redirect the host’s metabolic flow to their own benefit without killing the host.     

The most common response of resistant plants to the cellular invasion by fungal pathogens  is  a  rapid  cell  death,  which  forms  part  of  the  HR.    However,  the  HR  is  not  an  obligatory  component  of  the  plant’s  defence  response  since  there  are  pathosystems  in  which  resistance does not depend on the manifestation of HR (Heath, 2000). 

2.2.1 W

HEAT 

L

EAF 

R

UST

 

Rust‐causing  fungi  are  obligatory  biotrophic  plant  pathogens.    Economically  they  are  important  biological  agents  that  render  damage  to  wheat  plants.    Leaf  rust  on  wheat  (Triticum aestivum L.) is caused by Puccinia triticina Eriks. and is  found wherever wheat is  grown.   It is the most regularly occurring of the three wheat rusts, namely leaf  rust, stem  rust  and  yellow  rust.    Wheat  cultivars  that  are  susceptible  to  leaf  rust  suffer  from  yield  reductions  of  between  5  to  30%  or  more,  depending  on  the  stage  of  crop  development  when the initial rust infection occurs (Kolmer, 1996).   Wheat rust fungi spread in the form  of  clonally  produced  dikaryotic  urediniospores,  which  can  be  blown  by  the  wind  for  thousands of kilometers from initial infection sites (Roelfs, 1989).  Thus, epidemics of wheat  rusts  can  occur  on  a  continental  scale  because  of  the  widespread  dispersal  of  urediniospores.   

Wheat rust fungi are highly specific obligate parasites that interact with wheat in a gene‐for‐ gene  relationship  (Person,  1959;  Flor,  1971).  This  high  degree  of  specificity  has  made  durable  rust  resistance  in  wheat  difficult  to  achieve,  because  the  virulence  of  wheat  rust  fungi  against  wheat  resistance  genes  is  highly  diverse,  resulting  in  the  existence  of  many  different  pathogenic  races.  Rust  races  that  are  virulent  against  cultivars  containing 

(22)

large  geographic  areas  (Kolmer,  1999),  thus  rendering  the  resistance  genes  ineffective  (Kolmer, 2005).   

Genetic  resistance  is  the  most  economical  and  preferred  method  of  reducing  yield  losses  due  to  leaf  rust  infection  and  can  be  fully  utilized  by  knowing  the  identity  of  resistance  genes in commonly used parental germplasm and released cultivars.  Identification  of leaf  rust resistance genes allows for efficient incorporation of these genes into germplasm pools.   Thus far, 52 different leaf rust resistance (Lr) genes conferring specific resistance to leaf rust,  have been identified and assigned to specific chromosomes (Hiebert et al., 2005).  

2.3 P

ATHOGEN 

R

ECOGNITION

 

Plant responses to infection are usually initiated by the specific recognition of the pathogen  and  the  transmission  of  the  signal  via  plasma  membrane‐bound  receptors.    A  surveillance  system of receptors, some of which are encoded by R‐genes, reacts by a similar mechanism  to  all  classes  of  pathogens,  irrespective  of  whether  they  are  viruses,  bacteria,  fungi  or  nematodes (Di Gaspero and Cipriani, 2003).   

Receptor‐mediated  recognition  at  the  site  of  infection  initiates  cellular  and  systemic  signalling  processes  that  activate  multi‐component  defence  responses  both  at  local  and  systemic  levels,  resulting  in  the  rapid  establishment  of  local  resistance  and  delayed  development of SAR (Scheel, 1998).  The earliest reactions of plant cells include changes in  plasma membrane permeability leading to calcium and proton influx (McDowell and Dangl,  2000).  This in turn leads to the production of reactive oxygen intermediates (ROI) such as  superoxide  (O2‐)  and  hydrogen  peroxide  (H2O2)  catalyzed  by  plasma  membrane‐located  NADPH oxidase and/or apoplastic peroxidases (Somssich and Hahlbrock, 1998). 

These  initial  ion  fluxes  and  production  of  ROI  also  trigger  the  localized  production  of  secondary  messengers  for  the  initiation  of  HR  and  defence  gene  expression.    Interactions  between ROI, nitric oxide (NO) and salicylic acid (SA) have been postulated (Delledonne et  al., 2001).  Other interacting components might include specifically induced phospholipases  which  act  on  lipid‐bound  unsaturated  fatty  acids  within  the  membrane  resulting  in  the  release of linolenic acid (Creelman and Mullet, 1997).  Linolenic acid in turn acts as substrate 

(23)

(Hamberg and Gardner, 1992; Creelman and Mullet, 1997).  

The  expression  of  most  of  the  inducible,  defence‐related  genes  are  regulated  by  signal  pathways  involving  one  or  more  of  the  three  key  regulators  namely  jasmonate  (Bell  and  Mullet, 1991; Creelman et al., 1992), ethylene (Boller, 1995) and salicylic acid (Slaymaker et  al., 2002; Takahashi et al., 2002; Kumar and Klessig, 2003; Van Wees and Glazebrook, 2003). 

2.4 D

EFENCE 

R

ESPONSES

 

Plants generally activate multiple defence responses upon pathogen attack, which leads to  cellular  reprogramming.    The  most  effective  defence  response  in  plants  is  mediated  by  R‐ genes  that  are  able  to  detect  specific  pathogenic  races  through  recognition  of  pathogen  encoded Avr proteins (Glazebrook, 1999).      

2.4.1 S

YSTEMIC 

R

ESISTANCE

 

In  general,  SAR  may  involve  the  activation  of  more  than  one  biochemical  pathway  and  is  believed  to  be  mediated  by  SA  (Johal  et  al.,  1995).  The  central  role  of  SA  as  a  signal  transducer of SAR was demonstrated in transgenic plants where SA could not accumulate.   These  plants  failed  to  express  SAR  (Gaffney  et al.,  1993).    The  formation  of  phenolic  free‐ radicals,  resulting  from  the  interaction  of  SA  with  catalase  or  ascorbate  peroxidases,  has  been  proposed  to  be  involved  in  the  induction  of  SAR  (Durner  and  Klessig,  1995).    The  discovery  that  the  exogenous  application  of  SA  activate  the  same  spectrum  of  disease  resistance responses as the preliminary infection by a pathogen, led to the exploitation of  SAR with the application of synthetic chemicals that act at, or just downstream, of SA but  also  producing  a  successful  SAR  (Gozzo,  2003).    Correlating  with  the  onset  of  SAR,  plants  express a set of PR‐proteins (Kessmann et al., 1994).  Some of these PR proteins have been  shown  to  have  antimicrobial  activity  in  vitro  or  to  confer  increased  resistance  when  over‐ expressed  in  plants  (Morrissey  and  Osbourn,  1999).    Once  established,  SAR  may  last  for  a  relatively  long  time  (from  weeks  to  months),  during  which  any  attempted  invasion  by  certain pathogens is hampered.  

(24)

effective against multiple pathogen types (Pieterse et al., 1998).  ISR is independent of SA  and  is  not  associated  with  the  activation  of  pathogenesis‐related  (PR)  protein  1  gene  expression.    Instead,  ISR  requires  the  signalling  pathways  responding  to  the  plant  growth  hormones, JA and ethylene (Pieterse et al., 1998). 

2.4.2 P

ROGRAMMED 

C

ELL 

D

EATH

 

Cell death is an essential process in the plant’s life cycle (Vranová et al., 2002).  Two modes  of cell death have been described in plants: programmed cell death (PCD) and necrosis.  PCD  is  controlled  genetically  and  shares  features  characteristic  of  the  apoptotic  cell  death  in  animal  cells,  including  cell  shrinkage,  cytoplasmic  and  nuclear  condensation,  chromatin  condensation  and  DNA  fragmentation  (O’Brien  et  al.,  1998).    Necrosis  on  the  other  hand  results from severe and persistent trauma and is not considered to be genetically controlled  (Vranová et al., 2002).   

Programmed  cell  death  can  be  controlled  by  small  cytotoxic  molecules,  ROS  such  as  H2O2  and O2‐ and lipid peroxidases (Jabs, 1999).    The execution stage of cell death is associated  with  an  uncontrolled  production  of  ROS  that  overwhelms  the  normal  protective  mechanisms of cells (Palma and Kermode, 2003).  Another possibility is that ROS production  is  simply  a  consequence  of  cells  undergoing  death  and  plays  no  role  in  the  initiation  or  execution phases of cell death.   

One form of PCD is the HR that appears to be an integral part of plant defence mechanisms  against  pathogens  (Palma  and  Kermode,  2003).    Fungal  infection  can  trigger  the  HR  in  plants,  a  process  characterized  by  the  rapid  death  of  plant  cells  immediately  surrounding  the  site  of  infection,  which  effectively  prevents  the  spread  of  the  pathogen  (Ivanov  et  al.,  2005).  The oxidative burst that precedes the HR is accompanied by the generation of ROS,  mainly  due  to  the  activation  of  a  plasma‐membrane  associated  NAD(P)H  oxidase  (Jabs,  1999).   

ROIs  and  reactive  nitrogen  intermediates  (RNIs)  are  highly  toxic  and  may  directly  offer  protection  against  the  pathogen,  but  they  are  the  most  non‐discriminating  defence  molecules  produced  by  the  offended  hosts  (Veronese  et  al.,  2003).    In  animals,  they  are  produced  and  accumulate  only  in  specific  self‐sacrificing  cells  (Nathan  and  Shiloh,  2000).  

(25)

in self‐sacrificing cells offers protection against the pathogen while limiting the damage to  the host. ROIs and RNIs also participate in transcriptional reprogramming in and around the  affected cell (Veronese et al., 2003).   

Expression  of  genes  encoding  enzymes  that  detoxify  ROS  e.g.  catalase  (CAT),  superoxide  dismutase (SOD) and ascorbate peroxidases (APX), correlates with the induction of the HR  and  may  protect  neighbouring  cells  from  the  uncontrolled  diffusion  of  ROS  (del  Rio  et  al.,  1998; Heath, 2000).   

2.4.3 H

2

O

 

Until recently, H2O2 was viewed mainly as a toxic cellular metabolite (Neill et al., 2002b). It is  now clear that it can also function as a defence molecule that mediates responses to various  stimuli in both plant and animal cells (Neill et al., 2002a). 

H2O2  is  continually  generated  from  various  sources  during  normal  metabolism  and  a  wide  range  of  steady‐state  H2O2  concentrations  has  been  reported  (Karpinski  et  al.,  1999;  Veljovic‐Jovanovic  et  al.,  2001).    It  can  also  be  generated  by  specific  enzymes  during  an  oxidative  burst,  which  results  in  rapidly  increasing  H2O2  synthesis  and  release  into  the  apoplast  (Orozco‐Cárdenas,  et  al.,  2001).    This  oxidative  burst  is  a  common  response  to  pathogens,  elicitors,  wounding,  heat,  ultra‐violet  light  and  ozone  (Neill  et  al.,  2002a).   Knockout experiments demonstrated that the AtrbohD and AtrbohF genes encoding NADPH  oxidase are required for H2O2 generation during fungal and bacterial challenges (Torres  et  al., 2002).  H2O2 generated after pathogen attack mediates cross‐linking of cell wall proteins  (Bradley et al., 1992) and plant cell wall‐bound phenolics (Grant and Loake, 2002).    H2O2 also regulates the expression of various genes, including genes encoding antioxidants  as well as genes leading to the production of H2O2.  This indicates the complex way in which  intracellular H2O2 concentrations are monitored and maintained at a constant level (Neill et  al., 2002a).  A microarray study showed that the expression of 1‐2% of all Arabidopsis genes  was  altered  in  H2O2‐treated  cell  cultures  (Desikan  et  al.,  2001).    Amongst  these,  genes  encoding antioxidant proteins and proteins potentially involved in PCD, as well as defence 

(26)

 

2.4.4 S

ALICYLIC 

A

CID

 

The involvement of SA as a signal molecule in local defences and SAR has been extensively  studied because of its ability to induce protection against pathogens (Slaymaker et al., 2002;  Takahashi  et  al.,  2002;  Kumar  and  Klessig,  2003;  Van  Wees  and  Glazebrook,  2003).   Increases  in  endogenous  levels  of  SA  and  its  conjugates  in  pathogen‐inoculated  plants  coincide with the elevated expression of genes encoding PR‐proteins and the activation of  disease  resistance  (Morrissey  and  Osbourn,  1999).    As  a  result,  the  plant  becomes  more  resistant to pathogen attack.  

Plants that cannot accumulate SA due to the presence of transgenes that encodes salicylic  acid‐degrading enzymes, for example NahG, develop an HR response after a challenge with  an avirulent pathogen, but do not exhibit systemic expression of defence genes and do not  develop  resistance  to  subsequent  pathogen  attacks  (Glazebrook,  1999;  Nawrath  and  Métraux, 1999; Van Wees and Glazebrook, 2003).  In contrast, the exogenous application of  SA  or  its  synthetic  functional  analogue  benzo(1,2,3)thiadiazole‐7‐carbothioic  acid  S‐methyl  ester  (BTH)  results  in  the  activation  of  PR‐gene  expression  and  enhanced  resistance  to  pathogens (Shah, 2003).  The Arabidopsis thaliana non‐expressor of PR1 (NPR1) gene, also  called  non‐inducible  immunity  1  (NIM1),  is  an  important  component  of  SA  defence.  Npr1  and nim1 mutant plants are insensitive to SA and this compromises their disease resistance  (Cao  et  al.,  1994;  Delaney  et  al.,  1995).    An  NPR1‐independent,  SA‐mediated  resistance  mechanism also operates in Arabidopsis (Dong, 2001). 

SA can specifically bind to a variety of plant proteins affecting their activity (Dempsey et al.,  1999; Slaymaker et al., 2002). It can also activate gene expression by multiple mechanisms  and at different steps in plant defence (Feys and Parker, 2000; Kunkel and Brooks, 2002).  

2.4.5 J

ASMONIC 

A

CID

 

The  ubiquitous  presence  of  JA  and  its  methyl  ester  in  all  higher  plants  examined  so  far  suggests  a  prominent  role  for  these  molecules  in  plant  metabolism  (Mason  et  al.,  1992).   Jasmonates are  derived from  linolenic  acid  by  a lipoxygenase  (LOX)‐mediated  oxygenation 

(27)

from fatty acids through the action of LOX (Hamberg and Gardner, 1992).  

In  plants,  jasmonates  move  easily  in  both  the  liquid  and  the  vapour  phases  (Farmer  and  Ryan, 1990).  Methyl jasmonate is especially volatile, suggesting that it might also act in the  gaseous  form  in  analogy  to  the  plant  hormone  ethylene  (Wasternack  and  Parthier,  1997).    JA affect a variety of physiological processes, including root growth (Staswick et al., 1992),  tuber formation (Koda, 1992), tendril coiling (Weiler et al., 1993), senescence of leaves and  stomatal opening (Sembdner and Parthier, 1993).  An additional role for jasmonates lies in  the  mediation  of  the  plant  responses  to  stresses  such  as  pathogen  and  herbivore  attack  (Thaler et al., 2002).  

Low  concentrations  of  JA  regulate  proteinase  inhibitors  like  thionin  (Epple  et  al.,  1995),  osmotin  (Xu  et  al.,  1994)  and  proline‐rich  cell  wall  protein  (Creelman  et  al.,  1992)  at  transcription  level.    It  can  also  induce  the  accumulation  of  different  enzymes  involved  in  plant defence reactions such as chalcone synthase (Creelman et al., 1992), PAL (Gundlach et  al., 1992) and LOX (Bell and Mullet, 1991). The induction of these proteins suggests a role  for JA in helping plants to contain the growth of microorganisms. 

Reports on the induction of a resistant state in plants by JA are contradictory.  Some authors  (Kogel et al., 1994; Schweizer et al., 1993) found no evidence for the induction of resistance  by  jasmonate  in  the  barley‐Erysiphe  graminis  f.sp.  hordei  interaction,  but  Mitchell  and  Walters (1995) proved induced systemic protection in the same pathosystem by treating the  first leaves of seedlings with methyl jasmonate. 

2.4.6 E

THYLENE

 

Ethylene is a volatile plant hormone derived from methionine that is involved in numerous  physiological processes (Kende, 1993). Ethylene is produced upon wounding or infection by  pathogens,  as  well  as  by  treatment  with  elicitors  of  defence  responses  (Boller,  1995).  Exogenous application of ethylene to tobacco carrying the N gene for resistance to Tobacco  Mosaic  Virus  (TMV)  results  in  resistance  to  TMV  marked  by  a  decrease  in  the  size  of  the  necrosis (Van Loon and Antoniw, 1982).  

(28)

Ethylene can induce the accumulation  of some of the PR‐proteins such as β‐1,3‐glucanase  and chitinase (Abeles et al., 1971; Yamamoto et al., 2004).  Structural reinforcement of the  cell wall through lignification and the accumulation of hydroxyproline‐rich cell wall proteins  are  also  enhanced  by  ethylene  (Boller,  1995).  Although  such  results  might  suggest  that  ethylene is the signal involved in the induction of SAR, several experimental results indicate  that  ethylene  might  not  be  directly  linked  to  the  induction  of  SAR  (Boller,  1995).  The  induction of chitinase and β‐1,3‐glucanase in pea pods by pathogens can take place in tissue  treated  with  aminoethoxyvinylglycine  (AVG),  a  potent  inhibitor  of  ethylene  biosynthesis.   This  indicates  that  ethylene  synthesis  after  infection  might  be  a  symptom  rather  than  a  cause of the induction of defence reactions (Mauch et al., 1984). 

2.5 C

HANGES IN 

G

ENE 

A

CTIVITY

 

Activation  of  signal  transduction  networks  after  pathogen  recognition  results  in  the  reprogramming  of  cellular  metabolism,  involving  large  changes  in  gene  transcriptional  activity  while  basic  incompatibility  frequently  results  in  the  expression  of  defence  related  genes and localized host cell death (Yamamoto et al., 2004). 

Plants contain many defence related proteins.  In addition to R‐genes and genes encoding  signal  transduction  proteins,  they  also  possess  downstream  defence  genes  encoding  PR‐ proteins  (Van  Loon,  1997),  enzymes  involved  in  the  generation  of  phytoalexins  (Flors  and  Nonell,  2006),  enzymes  involved  in  oxidative  stress  protection  (May  et  al.,  1998),   lignification  (Cano‐Delgado  et  al.,  2003)    and  numerous  others.    Many  of  these  genes  are  involved  in  the  production  of  secondary  metabolites  such  as  those  of  the  shikimate  (Herrmann and Weaver, 1999) and phenylpropanoid pathways (Dixon et al., 2002). 

2.5.1 M

OLECULAR 

C

HAPERONES

 

Molecular  chaperones  are  key  components  contributing  to  cellular  homeostasis  in  cells  under  both optimal  and  abnormal  growth  conditions  (Grene,  2002).    They  are  responsible  for  the  folding,  assembly,  translocation  and  degradation  of  proteins  in  a  broad  array  of  cellular  processes.   They  also  function  in  the stabilization  of  proteins  and  membranes  and  can assist in protein refolding under stress conditions (Wang et al., 2004).  Many molecular  chaperones  are  stress  proteins  and  most  were  originally  identified  as  heat‐shock  proteins 

(29)

chaperones follow their early nomenclatures and are referred to as Hsps. 

Except for the small Hsp (sHsp) family (Haslbeck, 2002), relatively little attention has been  given to the role of the many other Hsps in plant responses to abiotic stress and the direct  support  for  Hsp  function  during  plant  abiotic  stress  tolerance  is  limited.    This,  despite  the  fact  that  Hsps  are  known  to  be  expressed  in  plants  not  only  when  they  experience  high  temperature  stress,  but  also  in  response  to  other  environmental  stresses  such  as  water,  salinity, osmotic, cold and oxidative stress (Boston et al., 1996; Bukau and Horwich, 1998).  Hsp60, Hsp70 and Hsp90 interact with a wide variety of co‐chaperone proteins that regulate  their activity or aid in the folding of specific substrate proteins (Bukau and Horwich, 1998).   Hsp70  is  also  involved  in  the  modulation  of  signal  transducers  such  as  protein  kinase  A,  protein kinase C and protein phosphatase (Ding et al., 1998).  Chaperones of the Hsp90 and  Hsp70 families and their co‐chaperones were also found to interact with a growing number  of  signal  molecules,  including  nuclear  hormone  receptors,  tyrosine‐  and  serine/threonine  kinases, cell‐cycle and cell‐death regulators, demonstrating that they could play a key role in  cellular signal transduction networks (Nollen and Morimoto, 2002).   

In  mammalian  cells,  the  sHsps  are  known  to  be  involved  not  only  in  protection  against  stress,  but  also  in  the  modulation  of  other  cellular  functions  such  as  apoptosis  and  differentiation via their participation in the regulation of cellular redox states (Arrigo, 2002).   Although most of the studies were carried out in organisms other than plants, similar cross‐ talk  mechanisms  might  operate  in  plants.    For  example,  heat‐shock  transcription‐factor‐ dependent expression of the antioxidant ascorbate peroxidases in Arabidopsis (Panchuk et  al.,  2002)  suggests  that  heat‐shock  factors  (HSFs)  might  not  only  be  involved  in  Hsp  synthesis but also in oxidative stress regulation of antioxidant gene expression.   

Mehlen et al. (1996) and Garrido et al. (1999) demonstrated an interaction between sHsps  and  glutathione  in  mammalian  cells  that  resulted  in  increased  resistance  to  cell  death  induced by the tumour necrosis factor or by hydrogen peroxide.  Resistance was dependent  on  both  the  increase  in  reduced  glutathione  and  increased  expression  of  sHsps  and  was 

(30)

in plant systems, but there is much evidence that suggests the importance of glutathione in  the protection against ROS damage (May et al., 1998; Noctor et al., 1998).    

The  protective  effects  of  Hsps  can  be  attributed  to  the  intra‐cellular  network  of  the  chaperone machinery in which many chaperones interact (Wang et al., 2004).  During stress,  many enzymes and structural proteins undergo functional changes.  Therefore, maintaining  proteins  in  their  functional  conformations,  preventing  aggregation  of  non‐native  proteins,  refolding of denatured proteins to regain their function and the removal of non‐functional,  but potentially harmful polypeptides, are important for cell survival under stress.   

Four  distinct  functions  have  been  assigned  to  molecular  chaperones  (Grene,  2002).    They  can act as repair proteins, they can remove proteins that are irretrievably damaged and they  can facilitate the import of newly synthesized proteins into the interior of organelles such as  peroxisomes.    The  fourth  function  is  as  antioxidant  molecules  in  conjunction  with  protein  methionine‐sulfoxide reductase.  

Many molecular chaperones described so far are members of the Hsp60 and Hsp70 families.   The  various  functions  of  Hsp70s  rely  on  their  ability  to  bind  to  unfolded  segments  of  proteins in an ATP‐dependent, reversible manner. All Hsp70s in prokaryotic and eukaryotic  cells  consist  of  an  ATP‐binding  domain  and  a  peptide‐binding  domain  (PBD)  (Hartl  and  Hayer‐Hartl, 2002). The two domains cooperate and in doing so Hsp70s undergo substantial  conformational changes. It is generally agreed upon that the PBD of Hsp70 in its ATP form  has  an  open  binding  pocket  which  recognizes  unfolded  segments  of  polypeptides  (Bukau  and  Horwich,  1998;  Mayer  et  al.,  2001;  Hartl  and  Hayer‐Hartl,  2002).    Upon  hydrolysis  of  ATP by Hsp70, the peptide‐binding pocket closes so that the ADP form holds the substrate  tight.  For  their  various  functions  Hsp70s  require  the  cooperation  with  a  set  of  co‐ chaperones  which  help  in  binding  the  polypeptide  substrates  and  which  support  the  ATP/ADP cycle (Bukau and Horwich, 1998; Kelley, 1998; Fan et al., 2003). 

Induction  of  host  Hsp  synthesis  in  response  to  an  encounter  with  a  pathogen  has  at  least  two  major  causes.    Firstly,  infected  cells  are  confronted  with  antimicrobial  mechanisms  which  they  have  activated  themselves  against  the  pathogen  during  infection  (Buchmeier  and  Heffron,  1990).    Effective  protection  against  its  own  effecter  molecules  (e.g.  reactive  radicals) becomes vital to the host for survival and hence the need for Hsps.  Second, once 

(31)

intracellular  host  metabolism  and  thus,  not  surprisingly,  many  of  these  pathogens  are  potent inducers of plant Hsp synthesis (Zügel and Kaufmann, 1999).  As soon as a pathogen  enters  its  host,  it  is  confronted  with  several  changes,  some  of  which  are  very  stressful.   Inside  the  host  a  pathogen  is  usually  confronted  with  ROI  and  RNI’s,  attack  by  lysosomal  enzymes and depletion of  co‐factors.   To protect itself against its  host, the pathogen thus  activates  various  evasion  mechanisms  including  the  synthesis  of  its  own  Hsps  (Buchmeier  and Heffron, 1990).    

2.5.2 T

RANSCRIPTION FACTORS

 

Stress  gene  induction  occurs  primarily  at  the  level  of  transcription  and  regulation  of  the  expression patterns of specific stress related genes is an important part of the plant stress  response (Rushton and Somssich, 1998).  Plants devote larger portions of their genomes to  genes  encoding  transcription  factors  compared  to  mammalian  cells.    The  Arabidopsis  genome, for example, contains more than 1500 transcription factor genes (Reichmann et al.,  2000)  and  these  transcription  factors  belong  to  large  gene  families,  some  of  which  are  unique to plants.   

Transcription  factors  can  be  defined  as  regulatory  proteins  that  bind  to  short  stretches  of  DNA in a sequence‐specific manner and mediate protein‐protein interactions (Després and  Fobert,  2006).    These  interactions  facilitate  or  interfere  with  the  recruitment  of  RNA  polymerase  and  the  basal  transcriptional  machinery.    Three  of  the  largest  families  include  the  ethylene‐responsive‐element‐binding  factors  (ERF),  basic‐domain  leucine  zipper  (bZIP)  and WRKY proteins which are implicated in several stress responses.   

ERF proteins form a subfamily of the APETALA2 (AP2)/ethylene‐responsive‐element‐binding  protein transcription factor family that is unique to plants.  ERF proteins share a conserved  58‐59  amino  acid  domain  (the  ERF  domain)  that  can  bind  to  two  similar  cis‐elements:  the  GCC  box,  which  is  found  in  several  PR  gene  promoters  where  it  confers  ethylene  responsiveness  and  the  C‐repeat  (CRT)/dehydration‐responsive  element  motif,  which  is  involved in the expression of dehydration‐ and low temperature responsive genes (Fujimoto 

(32)

infection with different but overlapping kinetics and this may help to orchestrate the correct  temporal defence response (Oñate‐Sánchez and Singh, 2002). 

bZIPs form a large family of transcription factors in plants with 75 members in Arabidopsis  (Jakoby et al., 2002).  One class of bZIP proteins that is linked to stress responses comprises  the  TGA/octopine  synthase  (ocs)‐element‐binding  factor  proteins.    These  proteins  bind  to  the  activation  sequence‐1  (as‐1)/ocs  element  which  regulates  the  expression  of  PR1  and  glutathione S‐transferase genes (Lebel et al., 1998;  Chen and Singh, 1999).  In Arabidopsis  there  are  seven  members  of  the  TGA/OBF  family  which  play  roles  in  plant  defence  and  development and have been shown to interact with the NPR1 protein of the SA‐dependent  defence pathway (Zhang et al., 1999; Després et al., 2000; Niggeweg et al., 2000). 

WRKY  proteins  form  another  family  of  transcription  factors  that  are  unique  to  plants  (Eulgem et al., 2000).  WRKY proteins contain either one or two WRKY domains – a 60 amino  acid  region  that  contains  the  amino  acid  sequence  WRKYGQK  or  a  zinc  finger  like  motif.   Specific  WRKY  family  members  show  enhanced  expression  and/or  DNA‐binding  activity  following induction by a range of pathogens, defence signals and wounding (Eulgem et al.,  2000).   

2.5.3 R‐

GENES

 

Despite  the  great  diversity  in  lifestyle  and  pathogenic  mechanisms  of  disease‐causing  organisms, R‐genes were found to encode proteins containing certain common motifs.  The  current  classification  of  R‐genes  recognizes  four  classes,  coding  for  (1)  cytoplasmic  serine/threonine  kinases  e.g.  the  Pto  gene  in  tomato  (Tang  et  al.,  1999);  (2)  proteins  containing  a  nucleotide  binding  site  (NBS)  and  leucine‐rich  repeats  (LRRs)  together  with  either a Toll/Interleukin‐1 receptor (TIR) domain (e.g. the tobacco N gene (Liu et al., 2002))  or a coiled‐coil structure (CC) for example the Arabidopsis RPS2 gene (Bent et al., 1994); (3)  extracellular LRRs anchored to a transmembrane domain (e.g. the tomato Cf‐9 gene (Jones  et  al.,  1994))  and  (4)  receptor‐like  protein  kinases  (RLKs)  with  extracellular  LRRs  and  an  intracellular serine/threonine kinase domain (e.g. the rice Xa21 (Song et al., 1995) and the  wheat Lrk10 genes (Feuillet et al., 1997)).   

(33)

event  or  with  general  elicitors  produced  as  a  result  of  the  infection.    Once  the  receiver  domain is activated by ligand binding, either the NBS or the serine/threonine kinase domain  becomes  accessible  to  the  downstream  components  of  the  signal  transduction  pathway,  ultimately triggering the defence response (Bendahmane et al., 2002).   

In  addition  to  gene  for  gene  recognition  of  a  pathogen  mediated  by  the  R  and  Avr  genes,  nonhost  resistance  is  achieved  through  communication  of  specific  pathogen  or  plant  cell  wall  derived  signal  molecules,  called  exogenous  or  endogenous  elicitors  respectively  (Montesano et al., 2003).  These elicitors are often low‐molecular‐weight compounds that  are  either  synthesized  or  liberated  from  polymeric  precursors  during  infection  (Somssich  and Hahlbrock, 1998).  The chemical structure of these elicitors varies greatly and includes  glycoproteins, peptides and oligosaccharides (Boudart et al., 1995; Montesano et al., 2003).   Some  proteinaceous  elicitors  are  directly  produced  by  bacterial  or  fungal  pathogens,  whereas biologically active oligosaccharides are released from pathogen and plant cell walls  by hydrolases secreted by the two organisms.  Complex and largely unresolved perception  systems exist for these elicitors on the plant cell surface which activate multiple intracellular  defence pathways (Odjakova and Hadjiivanova, 2001).  The NBS‐LRR class is by far the largest group of resistance proteins (Bai et al., 2002).  Two  subgroups within the NBS‐LRR class have been recognized by the presence or absence of a  TIR  domain  and  structural  similarity  to  the  cytoplasmic  defence  domains  of  the  Toll  and  interleukin‐1 receptor (Baker et al., 1997; Parker et al., 1997; Rock et al., 1998). 

The  first  subgroup  (TIR‐NBS‐LRR)  includes  N  (tobacco  mosaic  virus  resistance  (Holmes,  1938)), L6 (flax rust resistance (Flor, 1947)), M (flax rust resistance (Anderson et al., 1997))  and RPP5 (downy mildew resistance (Parker et al., 1997)) which are all involved in defence  processes.    The  second  subgroup,  which  lacks  the  TIR  region,  includes  the  bacterial  resistance  proteins  RPS2  (Bent  et  al.,  1994),  RPM1  (Grant  et  al.,  1995), Xa1  (Yoshimura  et  al., 1998), Prf (Salmeron et al., 1996) and the fungal resistance protein I2 (Ori et al., 1997).   

(34)

includes  EDS1 (Parker  et al., 1996)  while proteins in the  LZ class signal via a pathway that  includes the NDR1 gene (Century et al., 1997).   

Over the past few years, protein kinases have been identified for both race‐ and nonrace‐ specific  elicitation  of  defence  responses  in  plants.    They  often  participate  in  the  direct  perception of elicitors of Avr products (Song et al., 1995; Cervone et al., 1997; Feuillet et al.,  1997;  Thomas  et  al.,  1997),  mediate  defence  required  for  the  production  of  defence  mechanisms  and  function  as  regulators  of  defence  responses  (Romeis,  2001).    The  phosphorylation  of  proteins,  probably  initiated  by  a  receptor,  is  thought  to  relay  the  defence signal to different downstream effectors (Ligterink et al., 1997).  In some cases, the  receptor contains a kinase domain that may trigger the phosphorylation cascade whereas in  others a secondary messenger such as Ca2+ may trigger the protein kinases (Blumwald et al.,  1998). 

2.6 I

NTERPLANT 

C

OMMUNICATION

 

SAR  is  the  process  whereby  distal  parts  of  a  plant  receive  a  signal  from  an  infected  part  (Scheel, 1998).  This signal allows the distal part to activate its own defence mechanisms as  a  preventative  defence  strategy.    In  a  similar  way  two  neighbouring  plants  could  communicate so that the uninfected plant could activate its defences based on an airborne  signal  coming  from  an  infected  neighbour.    Intra‐plant  communication  and  signal  transduction  have  been  described  often,  so  the  possibility  of  communication  and  signal  transduction between plants, exists.  If there are receptor proteins to facilitate intra‐plant  communication,  there  should  also  be  ones  able  to  accept  signals  from  other  plants  in  the  same area. 

Plant communication is a loaded term that has come to encompass a broad definition.  Most  would  accept  a  definition  with  the  requirement  that  information  can  be  exchanged,  regardless of intent or fitness consequence for either party (Baldwin et al., 2002). 

Studies  on  plant‐to‐plant  communication  are  often  received  with  scepticism.    The  major  issues raised are as follows: (1) data suffers from statistical flaws such as pseudo replication,  (2) the dose of chemicals applied in experiments is unrealistically high, (3) the mechanism is 

(35)

realistic field conditions are lacking (Karban et al., 2000; Dicke and Bruin, 2001). 

Plants  have  developed  a  multitude  of  inducible  defence  mechanisms  against  aggressive  biotic  agents.    Defensive  actions  by  plants  induced  via  specific  signal  transduction  events  may negatively affect a herbivore’s physiology.  An example is the accumulation of protease  inhibitors  in  potato  and  soybean  plants  (Koiwa  et  al.,  1997).    Plants  may  also  indirectly  defend  themselves  against  herbivores  by  emitting  specific  blends  of  volatiles  that  attract  natural  carnivorous  enemies  of  herbivores  (Dicke  et  al.,  1990;  Turlings  et  al.,  1990;  Takabayashi and Dicke, 1996; Arimura et al., 2001).   In some cases these compounds  are  released  when  feeding  ruptures  pre‐existing  internal  or  external  secretory  structures  in  which volatiles are synthesized and stored, while in other cases these volatiles are formed at  the moment of damage (Gang et al., 2001).   

After herbivore attack, plants release complex bouquets of volatiles into the air from their  vegetative  tissues.    Predators  and  parasitoids  of  insect  herbivores  are  attracted  to  herbivore‐induced volatile releases, showing a powerful indirect defence for plants (Baldwin  et  al.,  2002).    There  is  a  broad  diversity  of  known  inducible  volatiles,  including  alkenes,  alkanes  (Preston  et  al.,  2001),  two  jasmonates  (cis‐jasmone  (Preston  et  al.,  2001)  and  methyl  jasmonate  (Farmer  and  Ryan,  1990))  and  methyl  salicylate  (MeSA)  (Shulaev  et  al.,  1997)  but  the  dominating  compounds  tend  to  be  terpenes  (Arimura  et  al.,  2001)  and  C6  green leaf volatiles (GLVs) (Holopainen, 2004; Van den Boom et al., 2004).   

Inducible  volatiles  can  be  divided  into  two  classes.    The  first  class,  the  GLVs  is  released  immediately (0‐5 min) after mechanical damage to leaves (Fall et al., 1999) while the second  class, which consists mainly of terpenes, is synthesized after damage but only released a few  hours after the initial damage took place (Dudareva et al., 2004).  The compounds are also  released from damaged and undamaged leaves (Holopainen, 2004). 

Of  all  these  proposed  signals,  only  methyl  jasmonate  is  detectable  in  volatile  collections  from sagebrush, where the chemical induced the accumulation of proteinase inhibitor 1 to  higher  levels  than  what  could  be  induced  by  wounding  (Karban  et  al.,  2000).    It  was  also 

(36)

However,  methyl  jasmonate  is  released  by  sagebrush  irrespective  of  damage,  so  receiver  plants  need  to  distinguish  the  signal  from  ‘background  noise’.    Karban  et  al.  (2000)  and  Preston et al. (2001) found that sagebrush increase methyl jasmonate production by up to  16  times  and  can  also  change  the  isomeric  conformation  of  methyl  jasmonate  to  the  biologically more active cis isomer.  It was found that the trans:cis methyl jasmonate ratio  changes from approximately 80:20 in undamaged plants to approximately 40:60 in damaged  plants.  It is thus hypothesized that the receiving plants use the more active cis isomer as an  indicator of damage (Preston et al., 2001). 

Methyl jasmonate  is a biosynthetic product of the  lipoxygenase or octadecanoid pathway,  which  can  be  induced  under  stress  caused  by  herbivory  (Bate  and  Rothstein,  1998).   Jasmonic acid and methyl jasmonate are known to induce various aspects of biochemically  based defences within the plant or in tissue cultures, but the volatility of the methyl ester  potentiates  aerial  activity  (Pickett  and  Poppy,  2001).    When  the  plant  is  damaged  by  herbivory or simulated herbivory, methyl epi‐jasmonate is predominantly released and this  has  greater  activity  on  recipient  wild  tobacco  plants  (Pickett  and  Poppy,  2001;  Karban,  2001).   

Ethylene  emissions  from  lima  bean  leaves  infested  with  spider  mites  have  been  observed  and was reported by Xu et al. (1994) to activate some defence genes.  Ethylene is thus also  thought to be one of the candidate airborne signals involved in plant‐plant communication  (Arimura et al., 2001).   

Maize  seedlings  damaged  by  beet  armyworm  caterpillars  release  a  specific  cocktail  of  volatile  terpenoids  and  indole  that  is  recognized  by  parasitic  wasps  (Turlings  et  al.,  1991).   Volicitin  (N‐(17‐hydroxylinolenoyl)‐L‐glutamine)  present  in  the  saliva  of  beet  armyworm  caterpillars has been identified as the major active elicitor for the formation of volatiles in  maize  (Alborn  et  al.,  1997).    Recently  two  genes,  Igl  and  Stc1,  whose  expression  is  specifically  induced  by  volicitin,  have  been  isolated  from  maize.    Igl  encodes  an  indole‐3‐ glycerol‐phosphate lyase (IGL) (Frey et al., 2000) and Stc1 encodes a sesquiterpene cyclase  (Shen  et  al.,  2000).    IGL  cleaves  indole‐3‐glycerol‐phosphate  to  form  indole  and  glyceraldehyde‐3‐phosphate (Frey et al., 2000). Indole in turn is further metabolized to form  two  benzoxazinoids  namely  2,4‐dihydroxy‐2H‐1,4‐benzoxazin‐3(4H)‐one  (DIBOA)  and  it’s 

(37)

Benzoxazinoids  are  natural  pesticides  found  predominantly  in  the  Poaceae  and  serve  as  important factors in host‐plant resistance to microbial diseases and insects (Gierl and Frey,  2001). 

Emission  of  volatiles  from  pathogen‐infected  plants  may  serve  as  a  direct  defence  against  pathogen  infections.    Several  lipid‐derived  volatiles,  including  (Z)‐3‐hexenol  and  (E)‐2‐ hexenal are released from Phaseolus vulgaris leaves during an HR response to Pseudomonas  syringae  pv.  phaseolicola  (Croft  et  al.,  1993).    Both  (Z)‐3‐hexenol  and  (E)‐2‐hexenal  are  bacteriocidal  but  at  different  concentrations  (Croft  et  al.,  1993).    Maize‐derived  volatile  compounds,  hexanal  and  octanal,  strongly  inhibit  growth  of  the  fungus  Aspergillus  parasiticus  on  culture  media  (Zeringue  et  al.,  1996).    Peanut  plants  infected  with  white  mould,  Sclerotium  rolfsii,  emitted  a  mixture  of  lipoxygenase  products,  terpenoids,  indole  and MeSA which were both quantitatively and qualitatively different from volatiles collected  from  healthy  plants  (Huang  et  al.,  2003).    Among  these  volatiles,  (Z)‐3‐hexenyl  acetate,  linalool and MeSA significantly inhibited fungal growth on solid culture media. 

While  some  studies  found  no  evidence  for  the  transfer  of  information  between  damaged  and  undamaged  plants (Preston  et  al.,  2001),  many  others  presented  evidence supporting  the hypothesis of information exchange between damaged and undamaged plants (Dicke et  al.,  1990;  Karban  et  al.,  2000;  Arimura  et  al.,  2001).    An  important  question  is  whether  information exchange between damaged and undamaged plants can be expected in all plant  species.  If plants of a certain species show the ability, the question is whether individuals of  that  species  should  always  respond  to  information  from  damaged  neighbours  (Dicke  and  Bruin, 2001).  Once evidence for plant‐to‐plant communication has been found, it becomes  feasible to investigate to what extent plants are informed about local conditions and what  strategies they can follow (Karban et al., 1999). 

2.7 C

ONCLUDING 

R

EMARKS

 

Like  animals,  plants  have  evolved  an  elaborate  system  to  protect  them  against  pathogen  infections.    Numerous  attempts  have  been  made  in  the  past  to  identify  and  clone  the 

(38)

successful.  The challenge now is to identify all the interacting mechanisms and to clarify the  role of each in the defence response.  The aim of this study was to investigate, on molecular level, some early events following the  infection of wheat with leaf rust.  An attempt was made to identify putative genes involved  in these early events.  Once these genes were identified, their relevance in the biochemical  defence response was investigated.     

(39)

Chapter 3 

Cloning  of  Differentially  Expressed  cDNA 

Fragments from Leaf Rust‐Infected Wheat 

   

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

Als het bedrijf als systeem fungeert met een geïntegreerde vertaling van doelen naar de processen en terugkoppeling hiervan, komt de volgende fase in zicht. Hierin zijn samen met

The heat shock genes dnaK, dnaJ, and grpE are involved in regulation of putisolvin biosynthesis in Pseudomonas putida PCL1445.. Dubern, J.F.; Lagendijk, E.L.; Lugtenberg,

In the present study we have used 2D-DIGE and mass spec- trometry to identify proteins that are differentially expressed and/or post-translationally modified prior to the onset of

The natural log values of Volatility, Shale gas production, Price, Price (lagged), Trading Volume, and absolute storage difference are taken. All variables run

Van Afrikanerkant word die standpunt gehandhaaf dat nuwe inkomelinge licfs moet kom uit die Iande van ons voorvaders sodat ons volkskarakter sover as moontlik

kry word ene rsyds deur r e gs tree kse verte e nwoordiging. van die kiesafdelings in plaas van deur middel van

Oultse k lter•towwe maak vertraag dc k llcrc wcrtumam co verwy.. Celd met

It was hypothesized that individuals with high levels of alexithymia would indeed differ in their attentional biases measures by the two conditions of the VST’s as a result of the